行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
子計畫一：軌道運輸供電系統之監控研究(2/2)
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC93-2213-E-011-024-
執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學電機工程系
計畫主持人： 陳南鳴
計畫參與人員： 柯博仁、藍璉璫、朱玉鳳、施文林、林國華、李盈震、謝翔宇、
楊欣霖
報告類型： 完整報告
報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 94 年 10 月 3 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 軌道運輸系統供電品質與保護系統--
子計畫一：軌道運輸供電系統之監控研究（2/2）
SCADA System Design for Railway Power Supply Systems 計畫編號：NSC 93-2213-E-011-024-
執行期限： 93 年 8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日
主持人：陳南鳴 教授 國立台灣科技大學 電機工程技術系
一、中文摘要
本文針對軌道運輸供電系統，利用 LabVIEW
（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）軟體將保護系統與監控系統合而為 一，並將其網路化。加上近年來無線網路技術的進 步，因此本研究即構思應用個人數位助理（PDA）
之輕便性及網路通訊功能優勢，於無線網路環境上 建構一軌道供電監控系統，且採用圖形化的使用者 介面(GUI)，有助於使用者迅速瞭解供電資訊。本系 統目前已完成之監控項目包含有電壓資訊分析、電 流資訊分析、功率資訊分析、電流諧波資訊分析、
數位電驛資訊監視與保護參數設定。最後再藉由實 驗室之軌道供電系統做測試，以驗證本系統之可行 性。
關鍵詞 ： 虛擬儀表、LabVIEW、軌道運輸供電系 統、個人數位助理、無線網路。。
Abstract
Based on railway power supply systems, this research integrates the protection system and SCADA system into one by using the LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench） software, and then made it networked. Recently, due to the progress of wireless network technology, this study is designed to take advantage of the Personal Digital Assistant (PDA), featuring in its small size, lightweight and the techniques of wireless network.
Thus, the wireless network of PDA is adopted to develop a real-time supervisory control and analysis for power supply of railway systems. Furthermore, the system also uses graphic user interface (GUI) on the PDA to help users read information of power supply quickly. This study has implemented the voltage information analysis, current information analysis, power information analysis, current harmonic information analysis, monitoring the information of the digital relay, and set up protection argument of digital relays. Finally, it is tested by using a simulation system of the specially connected transformers in the laboratory.
Keywords：Virtual Instrument, LabVIEW, Railway Power Supply Systems, PDA, Wireless Network
二、緣由與目的
隨著各種科技的發展越來越迅速，群居的人類 住得越來越密集，各類交通工具使用也越來越頻 繁，軌道運輸系統在交通運輸方面，也就擔負了極 重要的運輸角色，為了確保軌道行車安全與乘車舒 適感的要求，軌道供電品質必須控制在容許的限度 範圍，故需時時加以監視與調整保護參數。而經過 多年的努力，以工業電腦為核心並以 LabVIEW 軟 體整合的軌道牽引變壓器數位保護系統已有了初 步成果[1,2]。並藉由 LabVIEW 網際網路伺服器將 保護系統與監控系統合而為一，透過網際網路的便 利性，提供系統維護人員對保護系統下達修改保護 參數的命令，並解決系統維護人員必須親自到現場 讀取系統資料的人力浪費。
但是此系統在遠端監控設計上，因為採用有線 網路來達成監控的目的，受限於遠端之固定地點且 須具備網路連線；若可採無線網路架構，系統維護 人員即可隨時隨地進行遠端量測與監控，增加訊息 傳送與接收的靈活性。
三、系統架構
圖 1 所示為軌道電力監控系統架構圖，可分成 五個部份，軌道供電變壓器模擬系統、數位電驛、
資 料 蒐 集 系統 、 控 制 單元 及 遠 端 個人 數 位 助 理
（PDA）設備。
第一個部份為軌道供電變壓器模擬系統，此模 擬系統的功能在於模擬軌道供電系統的電源。軌道 供電系統的方式是將電力公司所提供的高壓三相 電力轉換成提供牽引負載使用的二相電源，而連接 於三相系統及牽引負載之間的轉換設備是由一組 特殊連接變壓器組成，本模擬系統中的特殊連接變 壓器有二種，即 Y-△連接變壓器及改良式木橋連接 變壓器(Modified-Woodbridge Connection)，以這二 個特殊變壓器模擬軌道供電變電站的角色。在本系 統中是屬於受監視設備。
第二部份為數位電驛部份，此數位電驛的主要 功能在於保護供電變壓器，作為模擬軌道供電系統 的保護設備。電力變壓器的保護，以差動電驛來做 主保護，而過電流電驛為後衛保護，但在軌道供電 變壓器是使用三相轉二相的特殊繞組接線結構變 壓器來供電，因其一、二次側不同相數電源之故，
無法以電力變壓器的保護結構直接應用，因此製作 一個數位電驛整合差動電驛及過電流電驛二個功
能，作為保護軌道供電變壓器的電驛裝置。此數位 電驛為伺服端開發軟體中的一子單元，在本系統中 主要扮演保護供電變壓器的角色。
圖 1 系統架構圖
第三部份為資料蒐集系統，此資料蒐集系統的 功能主要作為本地端的軌道供電系統運轉中的資 料蒐集、數位電驛的資料蒐集及資料型態的轉換與 定義，整合本地端不同設備的資料送至控制單元再 經由通訊線路提供給遠端監視設備。監控系統的主 要對象就是所有的受監視或受控制的設備，這些設 備都是裝置於現場，每個器材或設備產生實際系統 運轉的狀態及數值，這些資訊需經由適當的轉換器 轉換成數位資訊，再將這些數位資訊傳回一個資訊 集中的收發裝置，並將系統運轉中的資料送至控制 單元再經由通訊線路傳送至監控中心。而資料蒐集 系統在本系統中即作為資訊集中的收發系統。
第四部分為控制單元，此控制單元的功能主要 在存取資料蒐集系統經由通訊線路將資料傳送給 遠端設備及接收遠端監視設備傳送的訊息，並依接 收的訊息對資料蒐集系統存取資料或對數位電譯 做保護參數修改及跳脫的控制，以及於故障發生 時，啟動監視系統之警報鈴，通知遠端監視者故障 發生。
第五部份為遠端監控設備，遠端監控設備的功 能在於監視與控制本地端的器材及設備。長程電化 鐵路因其路程長遠，沿行駛路線設置數個牽引變電 站，其監控系統設置一個監控中心，負責收集所有 沿線牽引變電站的運轉資訊與傳送相關的控制指 令。在本系統中遠端監控設備（PDA）即是模擬監 控中心。
四、系統軟體規劃
網路的應用促進了生活便利性，然而網路應用 程式之得以穩定運行，完全需仰賴伺服端程式與客 戶端程式間緊密的配合，由於伺服端與客戶端之硬 體架構不同，且應用在不同作業系統平台上，因此 程式之建構需經多方面考量。在伺服端，本研究選 擇在Windows XP作業系統下以LabVIEW應用軟體工 具設計。LabVIEW是由美國National Instrument公 司於1986年所發展出來的，以虛擬儀表操控為訴求 的應用軟體工具，可利用圖形介面代替傳統的文字
介面，以物件導向和流程圖觀念構圖並透過資料擷 取卡做為人機介面溝通。在客戶端，本研究選擇以 Embedded Visual Basic(EVB)做為軟體開發的工 具，應用其適合於多平台且可建立圖形化之特性以 解決平台相異性的問題。由於受限於行動裝置硬體 架構擴充性及運算能力的不足，如果針對複雜系統 之運算，將對行動設備造成沈重的負荷，因此伺服 端程式設計必須配合行動設備的特性，在有限的資 源下讓系統發揮最大的效能。故本研究採用分散式 處理的架構，藉由有效的分散式處理機制，改善現 階段可攜式設備運算效能不佳的問題。
圖2為伺服端程式架構，系統中所使用的硬體 為 一 台 工 業 電 腦 ， 其 作 業 系 統 為 Windows XP ， LabVIEW軟體讀取工業電腦上PXI介面的資料擷取 卡資料，其資料為軌道供電系統電壓及電流，再由 LabVIEW軟體運算，計算出電力參數資料再存入資 料蒐集單元。遠端行動設備若要監視伺服端供電資 訊，首先需送出一請求存取的訊息，經由網際網路 依照指定位址（IP）及連接埠(Port)與伺服端程式 的通訊單元做連結，控制單元再依照使用者端請求 的訊息，存取資料蒐集系統並將資料轉成字串封 包，再透過通訊單元將供電資訊回傳給使用者端；
使用者端也可送出修改保護參數的請求，經由控制 單元對數位電譯做設定，而數位電譯透過資料擷取 卡讀取電流訊號，將電流訊號依照保護參數做保護 法演算，若為故障型態則通知資料擷取卡送出跳脫 訊號，啟斷軌道變壓器供電系統。
圖2 伺服端程式架構
為了確保資料的正確性，所以在資料封包中使 用了結束位元偵測法及加總檢查法，偵測資料封包 在傳輸中的正確性，詳細說明如下所述。
★結束位元檢查法
在一串（N-1）個資料上加入一個結束的檢查 位元，成為 N 個資料串，使用者端則可在接收到最 後一個位元為結束位元，確定封包傳輸完成，但其 偵錯能力較低，只能確定資料傳輸完成，並不能確 定資料是否正確，所以接著再使用一偵錯能力較強 的檢查法，來確保資料之正確性。
★加總檢查法（Sum Check）
傳送端欲將資料傳送前，將每一筆數值資料連 續加起來得到一總數，稱之為加總檢查（Sum Check, SC），總數值連同資料一起傳送給接收端。接收端 接收到資料後以同樣的方法加，得到SC＇，如果 SC=SC＇則沒有發生錯誤，否則資料已發生錯誤。
此方法的偵錯能力非常強，但其缺點是每次要計算 較費時間，一般應用在高層通訊協定上（TCP/IP）
或備份檔案（Backup）。
圖3 加總檢查法(Sum Check)
圖4為使用者端程式架構，系統中所使用的硬 體為一台個人數位助理(PDA)，其作業系統為微軟 的WinCE，使用Embedded Visual Basic(EVB)軟體 為開發使用者端應用程式的工具，EVB軟體結合通 訊介面Socket與伺服端作通訊的應用，首先設定要 連線的伺服端位址（IP）及通訊埠(Port)，並透過 Socket 通 訊 介 面 經 由 網 際 網 路 與 伺 服 端 取 得 連 線，接著送出讀取供電資訊或設定保護參數的請求 訊息，伺服端接受請求並回傳資料給使用者端，使 用者端程式接收資料並同時檢查是否接收完畢，檢 查到結束位元後，接著開始使用先前敘述的加總檢 查法，檢查所接收的資料封包是否正確，若不正確 則請求伺服端重送請求的資料；若正確則送到顯示 單元將軌道變壓器供電資訊顯示出來。
圖4 使用者端(Client)程式架構
五、實驗結果
圖 5 為本系統之功能樹狀圖，系統功能可分為
五項軌道供電即時監視及控制功能：電壓資訊、電 流資訊、功率資訊、電流諧波資訊、數位電驛資訊 及保護參數設定等。
圖 5 系統功能樹狀圖
使用者欲進行各項供電資訊監視之前，必須與 伺服端取得連線，圖 6 所示為使用者尚未登入的畫 面，圖中之位址(IP)標籤表示伺服端程式實際存在 的位址，埠(Port)標籤表示伺服端程式實際的通訊 埠，而在建立連線後，即可選擇分析的型式，再透 過伺服端程式將欲監視的資料傳送至使用者端程 式，以進行相關供電資訊監視。圖 7 所示為使用者 端登入成功的畫面，登入成功後，即可進行供電資 訊的監視及分析。
圖6 使用者尚未登入畫面 圖7 登入成功畫面
圖8所示為一次側三相電壓之波形、有效值及 頻率大小的分析畫面，此畫面可觀察到一次側三相 電壓之相位各差120度，圖9為一次側R相電壓及二 次側m相與t相電壓資訊的分析畫面，此畫面可觀察 到R相與t相之電壓相位同相，而R相與m之相電壓相 位相差90度，其相位關係與改良式木橋連接變壓器 之電壓相量圖相符合。
圖10所示為一次側三相電流之波形、有效值及 頻率大小的分析畫面，此畫面可觀察到一次側三相 電流之相位各差120度，圖11為一次側R相電流及二 次側m相與t相電流資訊的分析畫面，此畫面可觀察 到R相與t相之電流相位同相，而R相與m之相電流相
位相差90度，其相位關係與改良式木橋連接變壓器 之電流相量圖相符合。
圖8 一次側電壓資訊分析畫面 圖9 R、m及t相電壓資訊分析
圖10一次側電流資訊分析畫面 圖11 R、m及t相電流資訊分析
圖12所示為三相功率之波形、功率因數、視在 功率、實功率及虛功率的分析畫面，因資料擷取卡 所擷取之信號為電壓信號與電流信號，因此功率波 形是由電壓信號與電流信號相乘之結果，其三相總 視 在 功 率 為 1255.83VA ， 三 相 總 實 功 率 為 1224.29W，三相總虛功率為279.72VAR，功率因數 為0.97。如圖13所示為Ｒ相電流諧波之頻譜、諧波 振幅、諧波頻率及總諧波失真百分比的分析畫面，
其Ｒ相之基本波頻率59.98Hz量測到3.07V，第三次 諧 波 頻 率 180Hz 量 測 到 0.03V ， 第 五 次 諧 波 頻 率 299.7Hz量測到0.12V，總諧波失真百分比為3.92。
圖 14 所示為數位電驛之保護參數監視與設定 的畫面，此畫面所顯示為初始的數位電驛保護參 數，其 P1%與 P2%為差動比例，視系統狀態做差動 比例調整，TDS 為延時標置，設定範圍：0.5、1、2、
3、4、5、6、7、8、9、10，CO 為過電流電驛的特 性曲線，設定範圍：0→CO-2、1→CO-5、2→CO-6、
3→CO-7、4→CO-8、5→CO-9、6→CO-11。圖 15 所 示為伺服端數位電驛的保護參數，由此畫面可證明 圖 14 保護參數資訊之正確性。
圖16所示為修改保護參數的畫面，其P1%由40
％變為30％，P2%維持不便，ＴＤＳ由2變為3，CO 由4→CO-8變為3→CO-7。圖17所示為經使用者端修
改的伺服端保護參數資訊畫面，由此畫面可證明圖 16成功修改數位電驛之保護參數。
圖12 三相總功率資訊的分析畫面 圖13 R相電流諧波之分析畫面
圖14 保護參數監視與設定畫面 圖15 數位電驛的保護參數
圖16 修改保護參數的畫面 圖17 修改後的數位電驛參數
七、結論
本研究已成功建構一個可應用個人數位助理 (PDA)在無線網路上使用之軌道電力監控與分析系 統，其功能包含電壓資訊分析、電流資訊分析、功 率資訊分析、電流諧波資訊分析、數位電驛保護參 數監視與設定等。且與初期完成的軌道變壓器數位 保護與監控系統加以結合，這使得本研究不僅將保 護系統與監控系統合而為一，數位化、網路化，且
更進一步結合無線通訊。相較傳統保護與監控系統 增加了更多的優勢與優點。
八、 參考文獻
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